최신 배전 시스템 공학

제6장 전기품질 및 신뢰도 (1)

2011-10-06대한전기학회

6 16 1 전기품질전기품질6.1 6.1 전기품질전기품질

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[1/47]

6 1 16 1 1 전기품질전기품질 용어용어 (1)(1)

용어 설명

6.1.1 6.1.1 전기품질전기품질 용어용어 (1)(1)

Instantaneous: “순시“ Momentary: “순간”Temporary: “일시” p y 일시

순시전압강하(Sags)- 전압실효치의 0.1~0.9 p.u의 강하

(정격주파수에 0.5cycle에서30cycle 정도까지의 지속시간)

- 0.5 cycle 이하 동안 지속되는저압은 ‘과도현상’으로 규정

- 1분 이상의 저압 현상은 ‘상시전압

그림 6-1 전압외란의 전형적인 파형들

1분 이상의 저압 현상은 상시전압변동(Long-Duration Voltage Variation)’ 으로 분류됨

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[2/47]

6 1 16 1 1 전기품질전기품질 용어용어 (2)(2)

순시정전(Interruptions)

6.1.1 6.1.1 전기품질전기품질 용어용어 (2)(2)

-단기간 정전: 공급전압이나 부하전류가 1분을 초과하지 않는 범위내에서 0.1 p.u. 이하로 감소하는 현상

- 순시정전: 30cycle 이하로 규정- 발생원인: 고장 발생으로 인해발생원인: 고장 발생으로 인해유도되는 차단기나 퓨즈의 작동, 기기고장, 제어 오동작 등에 의해발생전압크기가 항상 정격전압의- 전압크기가 항상 정격전압의10% 이하이기 때문에 지속시간에 의해서만 측정함

그림 6-1 전압외란의 전형적인 파형들

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[3/47]

6 1 16 1 1 전기품질전기품질 용어용어 (3)(3)

순시전압상승 (Swells)

6.1.1 6.1.1 전기품질전기품질 용어용어 (3)(3)

-단기간 전압 상승: 정격주파수에서 0.5cycle 에서 1분 정도의 지y속시간으로 전압크기가 실효치기준 1.1~1.8 p.u의 전압 증가

- 순시 전압상승: 0.5cycle에서30cycle 정도의 지속시간을 가짐30cycle 정도의 지속시간을 가짐

그림 6-1 전압외란의 전형적인 파형들

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[4/47]

6 1 16 1 1 전기품질전기품질 용어용어 (4)(4)

서지 (Lighting, or Switching Surge)

6.1.1 6.1.1 전기품질전기품질 용어용어 (4)(4)

-정상 크기보다 매우 큰 전압 혹은전류가 매우 짧은 시간 동안 지속되는 과도전압 혹은 과도전류

-발생원인: 스위칭 동작, 낙뢰-또는 고객부하의 스위칭 동작으로또는 고객부하의 스위칭 동작으로인해 발생하기도 하며, 커패시터나 차단기의 스위칭 동작으로 인해 발생하기도 함

-개인용 컴퓨터와 같은 전력품질에민감한 부하가 보편화 되면서 최근에 많은 관심을 받음

그림 6-1 전압외란의 전형적인 파형들

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[5/47]

6 1 16 1 1 전기품질전기품질 용어용어 (5)(5)

고조파 (Harmonics)

6.1.1 6.1.1 전기품질전기품질 용어용어 (5)(5)

-왜곡된 60Hz 파형에는 기본 주파수 성분과 다른 주파수 성분이 포함되어 있음

-이런 왜곡된 파형 성분에서, 기본주파수의 정수배의 주파수 성분을가지고 있는 것 고조파!가지고 있는 것 고조파!

-고조파는 대부분 고객의 장비에의해서 발생

예: 거대한 비선형 산업용 부하- 예: 거대한 비선형 산업용 부하- 고조파가 클 경우, 연계된 전력계통의 다른 고객에게 영향을 끼침

그림 6-1 전압외란의 전형적인 파형들

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[6/47]

HarmonicsHarmonics

7

What are harmonicsWhat are harmonicsWhat are harmonicsWhat are harmonics

It falls into the Power Quality category of Power SystemsTh th i l f PQThere are three main classes of PQUnder VoltagesOver VoltagesgWaveform DistortionsHarmonics belong to Waveform Distortion category.

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도8

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도9

Three Classes of Voltage Three Classes of Voltage ggdisturbances disturbances

Voltage disturbances

Under Voltage O V lt W f Di t tiUnder Voltage Over Voltage Waveform Distortion

Sags

Notches

Impulsive Transient

Oscillatory Transient

Harmonics

A. Voltage

Outages Swells B. Current

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도10

Let’s see how adding sine waves of different frequency causes waveform distortion

1 5

1

1.5

Fundamental frequency

0.5

-0.5

0

1 35 69 103

137

171

205

239

273

307

341

375

409

443

477

511

545

579

613

-1A 3rd harmonic 3*fund frequency Distorted waveform Primary freq

is that of fund

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도11-1.5

is that of fund.

6 1 16 1 1 전기품질전기품질 용어용어 (6)(6)

저전압 (Undervoltage, Voltage Drop)

6.1.1 6.1.1 전기품질전기품질 용어용어 (6)(6)

공칭 작동 전압의 최저한계보다 낮은 전압이 수 초에서 그 이상 지속되는 현상원인: 과부하, 낡은 옥내배선, 전력회사 시스템에서 발생하는 전압강하등

과전압 (Overvoltage)g정상상태 동안 고객 단자에서 정격 전압의 한계보다 높은 전압이 수 초혹은 그 이상 검출되는 전압원인: 전압조정기와 커패시터의 용량 및 조정이 규정에 어긋났을 경우원인: 전압조정기와 커패시터의 용량 및 조정이 규정에 어긋났을 경우

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[12/47]

6 1 16 1 1 전기품질전기품질 용어용어 (7)(7)

플리커 (Flicker)

6.1.1 6.1.1 전기품질전기품질 용어용어 (7)(7)

“등불, 빛 등이 깜박이다, 명멸하다” (사전전 의미)“시간에 따른 빛의 자극에 의해 야기되는 시각의 불안정한 영향” (IEC)PCC(Point of Common Coupling)에 연결되어 있는 특정 부하가 정격( p g)에 연결되어 있는 특정 부하가 정격용량 이상의 과다한 전류를 공급받고 있을시, 같은 접속점의 다른 부하에는 전압 강하현상이 발생 전등, 모니터 등의 깜박임으로 나타남

영상 6-1 How to fix a flickering light (mov)

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영상 6 1 How to fix a flickering light (mov)

6 1 26 1 2 전압품질전압품질 –– Sags (1)Sags (1)

순시 전압강하 (Sags)

6.1.2 6.1.2 전압품질전압품질 –– Sags (1) Sags (1)

정상상태에서 짧은 기간 동안 전압이 감소되는 현상때때로 수 초 동안 지속50% 이상의 전압 강하는 막대한 영향을 끼침이상의 전압 강하는 막대한 영향을 끼침발생 원인

대부분은 계통에서 발생한 고장에 의함(산업시설) 대형모터의 기동 부하의 갑(산업시설) 대형모터의 기동, 부하의 갑작스런 투입 등

보상기기전기품질보상기(Power Line Conditioner)무정전 전원장치(UPS, Uninterruptible Power Supply)

그림 6-2 (위) 변압기 고장에 의한 순시전압강하(아래) 원거리: 지중송전 고장에 의한 순시전압강하

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(아래) 원거리: 지중송전 고장에 의한 순시전압강하

6 1 26 1 2 전압품질전압품질 –– Sags (2)Sags (2)

순시전압강하에 민감한 기기들

6.1.2 6.1.2 전압품질전압품질 –– Sags (2) Sags (2)

지속시간 25ms에서 0.1s까지의 순시전압강하에도 민감한 영향을 받음이들 강하에 대한 합리적인 대책으로 ‘무정전 전원장치’가 있음

표 6.1 순시전압강하에 민감한 기기

설 비 적용 장소의 예

컴퓨터(사무공장 자동화기기 포함) 공장 등의 프로세스 제어, 제어 로봇사무소 등의 팩스, 의료용 전기기기

전자개폐기에 사용되는 모터 공장 모터의 대부분

전력용 반도체 응용의 가변속 모터 일반 산업용 모터, 엘리베이터, 정수장

하수처리장의 펌프 모터

고압 방전등 점포, 홀의 조명, 스포츠시설, 도로터널의 조명

부족전압 계전기 공장 등의 수전설비

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6 1 26 1 2 전압품질전압품질 –– Interruption (1)Interruption (1)

순시정전(Interruption)

6.1.2 6.1.2 전압품질전압품질 –– Interruption (1)Interruption (1)

원인계획적인 전기공급 중단(예: 변압기 용량 증설을 위한 정전)비계획적인 전기공급 중단(예: 낙뢰, 고장, 바람, 눈 등)비계획적인 전기공급 중단(예 낙뢰, 장, 바람, 눈 등)

보호계획1. 정전 발생 횟수가 최소화되어야 함2 정전 지속 시간이 최소화되어야 함2. 정전 지속 시간이 최소화되어야 함3. 정전되는 고객 범위가 최소화되어야 함

전력 계통에서의 고장은 2가지로 분류영구고장순간고장 – 낙뢰, 동물, 바람 혹은 다른 자연적인 원인에 의해 발생

– 복구과정: 고장 발생 전력공급 중단 차단기에 의한 고장구간복구과정: 고장 발생 전력공급 중단 차단기에 의한 고장구간분리 고장원인 제거 자동적으로 재폐로(Reclosing)실시

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6 1 26 1 2 전압품질전압품질 –– Interruption (2)Interruption (2)

재폐로(Reclosing)순간고장을 제거하고 전력 공급을 지속시키기 위해 여러 차례 반복

6.1.2 6.1.2 전압품질전압품질 –– Interruption (2)Interruption (2)

순간고장을 제거하고, 전력 공급을 지속시키기 위해 여러 차례 반복됨

그림 6-4 전형적인 재폐로 지연시간

그림 5-4는 재폐로의 전형적인 지연 시간을 나타냄차단기의 개방과 재폐로는 보통 고객들이 전력 공급이 중단되었다

그림 6 4 전형적인 재폐로 지연시간

차 기의 개 과 재폐 통 객 이 력 이 중 되었다는 것을 모를 정도로 짧은 시간동안 진행됨하지만 민감한 부하는 순간정전에도 민감하게 반응하므로, 보호조치가 항상 필요함

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도

치가 항상 필 함

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6 1 26 1 2 전압품질전압품질 –– Interruption (3)Interruption (3)

영구고장5분 이상 지속되는 정전

6.1.2 6.1.2 전압품질전압품질 –– Interruption (3)Interruption (3)

5분 이상 지속되는 정전예: 선로 위로 나뭇가지가 쓰러진 경우 등영구고장 동안 차단기는 선로를 완전히 개방하기 전에 전력을 복구하기 위해 3~4번 재폐로 실시

순시전압강하 파형순시전압강하가3cycle 지속 후3cycle 지속 후,

재폐로 되는 1.8초동안 전압이 0이

되는 순시정전 사례

약 20%의 순시전압강하가3cycle 지속

전압강하 파형은 전형적인아크 고장형태를 보임

그림 6-5 순시정전 사례

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그림 6 5 순시정전 사례

6 1 26 1 2 전압품질전압품질 –– Interruption (4)Interruption (4)

고장 횟수와 지속기간을 제한하는 정도 전력계통의 신뢰성

6.1.2 6.1.2 전압품질전압품질 –– Interruption (4)Interruption (4)

하지만 신뢰도가 ↑, 계통 설비비용도 ↑최근엔 민감한 부하의 증가로, 기존에는 정전이 아니었던 것이 현재는 정전으로 간주됨

전력회사들의 기존 보호협조 원칙 B t 요즘엔 간선에전력회사들의 기존 보호협조 원칙영구고장 발생 ⇒ 퓨즈 용융순간고장 발생 ⇒ 차단기가 더 빠르게 작동

But, 요즘엔 간선에상당히 많은 컴퓨터부하들이 있는 경우순간고장일 때에도순간고장일 때에도전혀 재폐로 하지않는 것을 선호!

그림 6-6 급전선에서 기존 보호협조 원칙

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[19/47]

그림 6 6 급전선에서 기존 보호협조 원칙

6 1 26 1 2 전압품질전압품질 –– Swells (1)Swells (1)

순시전압상승(Swells)

6.1.2 6.1.2 전압품질전압품질 –– Swells (1)Swells (1)

고장과 밀접한 현상전압강하만큼 일반적인 현상은 아님

3상 시스템에서 지락고장 고장이 발생하지 않은 상의 전압상승3상 4선 다중접지 시스템(Y결선)의 경우 : 전압 약 30% 상승3선 시스템 (Δ결선)의 경우 : 전압 약 70%이상 상승3선 시스템 (Δ결선)의 경우 : 전압 약 70%이상 상승

그림 6-7 순시전압상승

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6 1 26 1 2 전압품질전압품질 –– Swells (2)Swells (2)

전압상승 요인비접지계통의 1선 지락 고장

6.1.2 6.1.2 전압품질전압품질 –– Swells (2)Swells (2)

비접지계통의 1선 지락 고장대형 부하의 갑작스러운 분리대용량 커패시터뱅크를 계통에 투입했을 때

(비접지계통) 무한대 영상임피던스를 가진 곳에서 1선지락 고장 발생시, 건전상 전압이 1 73p u 까지 상승 가능!건전상 전압이 1.73p.u.까지 상승 가능!

But, 접지계통의 변전소 근처에서는 거의 발생 안함– 변전소 변압기가 Δ-Y 결선으로 고장전류에 대해 낮은 영상임피던

스 통로를 제공하기 때문스 통로를 제공하기 때문

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[21/47]

6 1 26 1 2 전압품질전압품질 –– Swells (3)Swells (3)

지락고장 동안 과전압의 크기는 ‘피뢰기’의 용량 설정과 작동에 매우 중요! IEEE 서지 보호장치 위원회 관련한 기준을 따름 (표 6 2)

6.1.2 6.1.2 전압품질전압품질 –– Swells (3)Swells (3)

요! IEEE 서지 보호장치 위원회 관련한 기준을 따름 (표 6-2)

표 6 2 배전계통에서 지락 고장에 관한 IEEE 최대 과전압 규정표 6.2 배전계통에서 지락 고장에 관한 IEEE 최대 과전압 규정

시스템 최대 과전압

비접지 시스템 1.82Χ ELG

3상 4선 다중 접지 시스템 (spacer cable) 1.5Χ ELG

3상 3선, 3상 4선 중성점 접지 시스템 (open wire) 1.4Χ ELG

3상 4선 다중접지 시스템 (open wire-gapped) 1.25Χ ELG

3상 4선 다중 접지 시스템 (open wire-MOV) 1.35Χ ELG

ELG= 시스템의 상 전압

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6 1 26 1 2 전압품질전압품질 –– LongLong--duration Voltage Variation (1)duration Voltage Variation (1)

상시전압변동 (Long-Duration Voltage Variation)전력계통에 연결된 대부분의 장비는 정해진 전압에서 사용되 록 만들

6.1.2 6.1.2 전압품질전압품질 –– LongLong--duration Voltage Variation (1)duration Voltage Variation (1)

전력계통에 연결된 대부분의 장비는 정해진 전압에서 사용되도록 만들어짐.

계통에서 발생하는 전압강하로 모든 수용가에 일정 전압이 지속적으로공급되지는 않음공급되지는 않음모든 수용가의 전력기기들은 같은 정격임으로 모두 정격전압을 공급 받아야 함

한전이 고객에게 전기를 공급하는 표준전압별 전압유지 범위표준주파수 : 60[Hz]

표 6.3 표준 전압별 전압유지 범위

표준전압 유지범위

110 [V] 110[V] ± 6[V] 이내[ ] [ ] [ ] 이내

220 [V] 220[V] ± 13[V] 이내

380 [V] 380[V] ± 38[V] 이내

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[23/47]

6 1 26 1 2 전압품질전압품질 –– LongLong--duration Voltage Variation (2)duration Voltage Variation (2)

전압강하는 전체 전력계통 임피던스에 흐르는 부하전류의 크기에 비례하기 때문에 변전소에서 가장 멀리 떨어진 고객은 가장 낮은 전압을 공

6.1.2 6.1.2 전압품질전압품질 –– LongLong--duration Voltage Variation (2)duration Voltage Variation (2)

하기 때문에 변전소에서 가장 멀리 떨어진 고객은 가장 낮은 전압을 공급 받음

그림 6-8 주택용 고객에서 전압 분포

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[24/47]

6 1 26 1 2 전압품질전압품질 –– LongLong--duration Voltage Variation (3)duration Voltage Variation (3)

공급(서비스)전압과 설비전압 기준전력회사는 공급전압이 만족하도록 공급

6.1.2 6.1.2 전압품질전압품질 –– LongLong--duration Voltage Variation (3)duration Voltage Variation (3)

전력회사는 공급전압이 만족하도록 공급수용가의 기기들은 일정부분 전압강하에 대처함

범위A – 시스템 공급전압이 대부분 114~126V가 되도록 설계126V가 되도록 설계, 작동되도록 제한

범위B 범위 A 밖의범위B – 범위 A 밖의허용되는 전압의 범위

그림 6-9 ANSI Standard C84.1-1984에 의한 전압 범위

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[25/47]

6 1 26 1 2 전압품질전압품질 –– LongLong--duration Voltage Variation (4)duration Voltage Variation (4)

배전계통의 전형적인 전압분포일정 범위 안에서 전압 유지

6.1.2 6.1.2 전압품질전압품질 –– LongLong--duration Voltage Variation (4)duration Voltage Variation (4)

일정 범위 안에서 전압 유지전반적인 시스템에 발생하는 전압강하와 전압상승을 나타냄중부하가 경부하에 비해 전압강하가 더 심함

단거리 급전선의 경우변전소에 있는 부하 시변전소에 있는 부하 시탭 전환기(LTC)를 사용하여 전압을 기준에부합되도록 조정가능부합되도록 조정가능

그림 6-10 중부하와 경부하 시 전압 프로파일

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[26/47]

6 1 26 1 2 전압품질전압품질 –– LongLong--duration Voltage Variation (5)duration Voltage Variation (5)

커패시터 설치에 따른 전압 보상 효과 (긍정적효과)커패시터는 무효전력을 계통에 공급함

6.1.2 6.1.2 전압품질전압품질 –– LongLong--duration Voltage Variation (5)duration Voltage Variation (5)

커패시터는 무효전력을 계통에 공급함모터와 같은 유도성 부하에 의한 무효 전력을 효과적으로 보상

그림 6 11 커패시터의 유 무에 따른 전압개요

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[27/47]

그림 6-11 커패시터의 유,무에 따른 전압개요

6 1 26 1 2 전압품질전압품질 –– LongLong--duration Voltage Variation (6)duration Voltage Variation (6)

커패시터 설치에 따른 전압 보상 효과 (부정적효과)경부하 조건에서 커패시터의 전압 과보상 효과를 주의해야 함

6.1.2 6.1.2 전압품질전압품질 –– LongLong--duration Voltage Variation (6)duration Voltage Variation (6)

경부하 조건에서 커패시터의 전압 과보상 효과를 주의해야 함적정용량의 커패시터 용량 선정 필요

그림 6 12 배전용 커패시터의 효과 그림 6 13 과보상에 의한 과전압

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[28/47]

그림 6-12 배전용 커패시터의 효과 그림 6-13 과보상에 의한 과전압

6 1 26 1 2 전압품질전압품질 –– Transient overvoltage (1)Transient overvoltage (1)

과도전압상승 (Transient overvoltage)

6.1.2 6.1.2 전압품질전압품질 –– Transient overvoltage (1)Transient overvoltage (1)

서지(Surge)고객에 의해 내부적으로 발생하기도 함낙뢰와 같은 자연현상낙뢰와 같은 자연현상장치의 스위칭과 같이 전력회사에서 발생시키기도 함

뇌서지직접적으로 2차 회로에 강타직접적으로 2차 회로에 강타1차 회로에 강타하여 배전 변압기를 통해 과도전압을 흘림

그림 6-14 뇌서지

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[29/47]

6 1 26 1 2 전압품질전압품질 –– Transient overvoltage (2)Transient overvoltage (2)

커패시터 스위칭전력계통에서 가장 일반적인 스위칭

6.1.2 6.1.2 전압품질전압품질 –– Transient overvoltage (2)Transient overvoltage (2)

전력계통에서 가장 일반적인 스위칭(장점) 계통전압 유지, 손실감소, 역률개선, 무효전력공급 등(단점) 계통의 인덕턴스와 상호작용하여 과도상태를 일으킬 수 있음스위칭의 시기를 결정하기 위해 시간, 온도, 전압, 전류 등이 고려됨

계통전압이 최대 일 때 위칭계통전압이 최대 일 때 스위칭일반적으로 스위칭 과도전압은

1.3~1.4pu

그림 6-15 커패시터 스위칭 단선도 그림 6-16 커패시터 스위칭에 의한

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[30/47]

림 커패시터 위칭 단선 그림 6 16 커패시터 스위칭에 의한과도전압 (최대값 134%)

6 1 26 1 2 전압품질전압품질 –– Transient overvoltage (3)Transient overvoltage (3)

커패시터 스위칭에 따른 과도전류커패시터 스위칭 시 관측된 상전류

6.1.2 6.1.2 전압품질전압품질 –– Transient overvoltage (3)Transient overvoltage (3)

커패시터 스위칭 시 관측된 상전류급전선에 흐르는 과전류의 최고치는 부하전류의 약 4배

그림 6-15 커패시터 스위칭 단선도 그림 6-17 커패시터 스위칭에 따른

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[31/47]

림 커패시터 위칭 단선 그림 6 17 커패시터 스위칭에 따른과도전류

6 1 36 1 3 고조파고조파(Harmonics) (1)(Harmonics) (1)

고조파 발생원인 및 발생원

6.1.3 6.1.3 고조파고조파(Harmonics) (1)(Harmonics) (1)

정현파 전압을 ‘비선형부하’에 인가했을 경우아크로(Arc furnace): 비정현파 전류 발생 (그림 5-18 가)실제로는 완전한 정현파가 공급되지 못하고 왜곡됨 ; 고조파 왜곡실제 는 완전한 정현파가 공급되지 못하 왜곡됨 ; 파 왜곡

그림 6-18 고조파 왜곡

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[32/47]

6 1 36 1 3 고조파고조파(Harmonics) (2)(Harmonics) (2)

고조파의 대표적인 원인정지형 전력변환기

6.1.3 6.1.3 고조파고조파(Harmonics) (2)(Harmonics) (2)

정지형 전력변환기변압기, 전동기용접기, 아크로 큰 고조파 발생원, 검토의 대상(특히 제철소)전력전자응용기기(컴퓨터, 댐퍼 스위치, 다양한 전동기 구동장치)

그림 6-19 비선형 부하에 의해 일그러진 교류 전류

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[33/47]

6 1 36 1 3 고조파고조파(Harmonics) (3)(Harmonics) (3)

변압기 여자전류변압기가 정상전압보다 높은 전압에서 작동하면 많은 고조파를 일

6.1.3 6.1.3 고조파고조파(Harmonics) (3)(Harmonics) (3)

변압기가 정상전압보다 높은 전압에서 작동하면 많은 고조파를 일으킴포화영역에서 동작하는 변압기

그림 6-20 변압기 여자전류 그림 6 21 비정현파 변압기 여자 전류와 고조파

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[34/47]

그림 6-20 변압기 여자전류 그림 6-21 비정현파 변압기 여자 전류와 고조파함유량

6 1 36 1 3 고조파고조파(Harmonics) (4)(Harmonics) (4)

대표적인 전력전자소자와 전자식 안정기의 사용 따른 파형 왜곡

6.1.3 6.1.3 고조파고조파(Harmonics) (4)(Harmonics) (4)

그림 6-22 전원공급 방식에 따른 전류파형 및 고조파 스펙트럼그림 6 22 전원공급 방식에 따른 전류파형 및 고조파 스펙트럼

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[35/47]

6 1 36 1 3 고조파고조파(Harmonics) (5)(Harmonics) (5)

고조파로 야기되는 문제커패시터 퓨즈 용융

6.1.3 6.1.3 고조파고조파(Harmonics) (5)(Harmonics) (5)

커패시터 퓨즈 용융전동기와 변압기의 과열지락 계전기에 의한 원인불명의 차단기 동작통신 장애

고조파 문제의 해결책고조파 문제의 해결책커패시터 뱅크의 위치 교체변압기 재설치필터 설치 등

고조파에 의한 장해 현상(표 6-3 참고)고조파에 의한 장해 현상(표 6 3 참고)

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[36/47]

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[37/]

6 1 36 1 3 고조파고조파 –– 국내외국내외 관리기준관리기준 (1)(1)

국내외 관리 기준

6.1.3 6.1.3 고조파고조파 –– 국내외국내외 관리기준관리기준 (1)(1)

국내기준전기품질 저하를 규제할 수 있는 근거전기공급약관전기공급약관

– 전력사용 고객이 전력사용 신청시 규정된 조건을 수락한다는 조건으로 전력 공급을 승낙 수급계약을 체결할 수 있음

– 적용대상: 66kV이상 및 전력회사의 변전소에 전용으로 공급하고적용대상: 66kV이상 및 전력회사의 변전소에 전용으로 공급하고고조파를 발생하는 전력변환장치를 시설하는 신증설고객

KS규격– 종류 별 전류의 THD(전체 고조파 왜형률)등을 규정함– 종류 별 전류의 THD(전체 고조파 왜형률)등을 규정함– 예) KSC 8100: 형광램프용 전자식 안정기

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[38/47]

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[39/]

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[40/]

6 1 36 1 3 고조파고조파 –– 국내외국내외 관리기준관리기준 (2)(2)

국외기준미국 IEEE S d d 519 고조파 전류 한계

6.1.3 6.1.3 고조파고조파 –– 국내외국내외 관리기준관리기준 (2)(2)

미국 IEEE Standard. 519 고조파 전류 한계

표 6-8 IEEE Std. 519 고조파 전류 한계

ISC/ILOAD

고조파 차수 종합고조파왜형율〈11 11-16 17-22 23-24 〉35

〈 2020-5050-100

100-1000

4.07.010.012.0

2.03.54.55.5

1.52.54.05.0

0.61.01.52.0

0.30.50.71.0

5.08.012.015.000 000

〉1000.0

15.05.57.0

5.06.0

.02.5

.01.4

5.020.0

ISC = 공통접속점의 최대 단락 전류IL = 공통접속점의 최대 수요 부하 전류 THDITDD

Hh =×∑= 10021/)(

Ih = 개별 고조파전류TDD = 종합수요왜형율(RSS)

Ih L∑=2

)(

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[41/47]

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[42/]

6 1 36 1 3 고조파고조파 –– 국내외국내외 관리기준관리기준 (3)(3)

국외기준일본 고조파기준

6.1.3 6.1.3 고조파고조파 –– 국내외국내외 관리기준관리기준 (3)(3)

일본 고조파기준전체 고조파 발생량을 50% 감소시키고, 가전용품에 대해서도 고조파전류 발생량을 25% 감소시킬 필요가 있다고 제안함

표 6-10 고객 계약전력 1kW당 고조파 유도전류 상한치 (mA/kW)

수전전압 5차 7차 11차 13차 17차 19차 23차23차초과

6.6kV 3.5 2.5 1.6 1.3 1.0 0.9 0.76 0.70

22kV 1.8 1.3 0.82 0.69 0.53 0.47 0.39 0.36

154kV 3.5 2.5 1.6 1.3 1.0 0.9 0.76 0.70

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[43/47]

6 1 36 1 3 고조파고조파 –– 국내외국내외 관리기준관리기준 (4)(4)

고조파 영향 및 경감 대책변압기에 대한 영향

6.1.3 6.1.3 고조파고조파 –– 국내외국내외 관리기준관리기준 (4)(4)

변압기에 대한 영향– 변압기에서의 고조파 왜곡(전압, 전류)은 변압기에 열을 발생시킴– 따라서 단선대신 케이블을 사용 보다 높은 주파수 감당을 위해– 전류 왜곡이 5%를 초과한 변압기는 고조파를 감쇄시켜야 함

모터에서의 영향– 고조파가 모터의 저효율, 열, 진동, 강렬한 소음등을 야기함고조파가 모터의 저효율, 열, 진동, 강렬한 소음등을 야기함– 모터의 수명과도 밀접함

고조파 경감대책고조파 경감대책– 역률개선 커패시터에 의한 억제 대책– 변환기의 다펄스 화– 리액터 설치– 수동필터에 의한 억제 대책– 능동필터에 의한 억제 대책

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능동필터에 의한 억제 대책

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배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[45/]

6 1 46 1 4 플리커플리커 (Flicker)(Flicker)

정의

6.1.4 6.1.4 플리커플리커 (Flicker) (Flicker)

전압의 동요가 빛을 깜박거리게 하는 현상전압변동과 플리커는 혼동하지 않아야 함컴퓨터와 관련된 많은 전압 문제는 전압 변동과 관련 – “Voltage Flicker” 컴퓨터와 관련된 많은 전압 문제는 전압 변동과 관련 g

사용자가 플리커를 인지하는백열등의 최대 허용 전압

플리커 곡선예) 시간 당 6번 변동하는예) 시간 당 6번 변동하는냉 난방장치 근처에 있고,플리커를 느낄 수 있다면?

전압 변동은 약 4%임

아크로를 공급하는전력시스템

그림 6-23 플리커 문제를보여주는 간략한 회로

그림 6-24 전압 플리커-한계곡선

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[46/47]

6 1 46 1 4 플리커플리커 –– 국내외국내외 관리기준관리기준 (1)(1)

국내외 관리기준

6.1.4 6.1.4 플리커플리커 –– 국내외국내외 관리기준관리기준 (1)(1)

전력회사 영업업무 처리지침 제 4절 (플리커의 검토)허용기준치표 6-12 플리커 허용 기준치

구 분 허용기준치 비 고

예측 계산시 2.5% 이하 최대전압 강하율로 표시

실 측 시 0 45V이하 V 으로 표시하며 1시간 평균치임

플리커 허용 기 치

적용대상: 전기로를 신설 또는 증설하는 고객

실 측 시 0.45V이하 V10으로 표시하며 1시간 평균치임

전기로 고객은 각 ‘로’의 임피던스와 2차 단자 전압을 확인할 수 있는 자료를 공급개시 3개월 전에 제출하여 검토 받아야 함규제지점 및 예측방법, 공급조건 등에 관한 것을 설계기준 맵(플리규제지점 및 예측방법, 공급 건 등에 관한 것을 설계기준 맵(플리커 허용기준)에 의함

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[47/47]

6 1 46 1 4 플리커플리커 –– 국내외국내외 관리기준관리기준 (2)(2)

한전 설계기준 일반편 – 맵적용범위 전기로를 신설 또는 증설하는 고객의 전기로에 의하여 발

6.1.4 6.1.4 플리커플리커 –– 국내외국내외 관리기준관리기준 (2)(2)

적용범위: 전기로를 신설 또는 증설하는 고객의 전기로에 의하여 발생하는 전압 플리커에 대함. 규제조건은 정해진 기준에 따름규제지점

– 단독 전용선로에 의해 공급하는 경우– 본 선로로부터 분기하여 공급하는 경우– 동일선로에 전기로 고객이 2개소 이상 밀집된 경우동일선 에 전기 객이 개 이상 밀집된 경우

허용 기준치– 예측 계산 시: 최대 전압강하율(ΔV10)로 표시

ΔV =0 45를 1시간 평균치 이하로 함– ΔV10=0.45를 1시간 평균치 이하로 함– ΔV10? 교류전압이 100V로부터 99V까지의 cycle을 1초 동안 10

회(10Hz) 정현파 모양으로 변화하는 경우를 ΔV10 =1%로 함

∑ ∆•=∆f

fVafV 210 )( af: 어느 주파수의 시감도 계수

ΔVf: 기주파수의 전압변동의 크기

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[48/47]

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[49/]

6 1 46 1 4 플리커플리커 –– 국내외국내외 관리기준관리기준 (3)(3)

플리커 경감 대책

6.1.4 6.1.4 플리커플리커 –– 국내외국내외 관리기준관리기준 (3)(3)

전원 측에서 실시하는 방법전용 계통으로 공급단락용량이 큰 계통에서 공급단락용량이 큰 계통에서 공급전용 변압기로 공급공급 전압을 승압

부하 측에서 실시하는 방법부하 측에서 실시하는 방법전원 계통에 리액터분을 보상하는 방법(직렬콘덴서 또는 3권선보상)전압 강하를 보상하는 방법 (부스터 방식)

부하의 무효전력 변동분을 흡수하는 방법동기 조상기와 리액터 방식사이리스터 이용 커패시터 개폐 방식사이리스터 이용 커패시터 개폐 방식사이리스터용 리액터플리커 부하 전류의 변동분을 억제하는 방식(직렬 리액터, 직렬 리엑터 과포화 방식)

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도

터 과포화 방식)

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6 1 56 1 5 전력품질보상기기전력품질보상기기 –– 민감부하민감부하 (1)(1)전력품질에 있어서 민감한 부하

가전기기

6.1.5 6.1.5 전력품질보상기기전력품질보상기기 –– 민감부하민감부하 (1)(1)

가전기기백업 배터리가 없을 경우, 순간정전을 영구정전으로 해석하기도 함그림 6-25의 전압곡선을 보면 40% 미만의 순시전압강하는 문제가 되지않음않음

컴퓨터가장 민감한 전기장치

선 컴 터 장치에 대해

그림 6-25 가전설비의 고장 범위 요약

CBEMA곡선: 컴퓨터 장치에 대해 손상을 일으키기 않거나, 정상적인 기능을 수행하는 데 영향이 없을 입력값을을 수행하는 데 영향이 없을 입력값을정리한 곡선정상전압의 +6%~ -13% 범위 내

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[51/47] 그림 6-26 CBEMA 곡선

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[52/]

6 1 56 1 5 전력품질보상기기전력품질보상기기 -- 민감부하민감부하 (2)(2)

저압계통(600V 이하)발생요인

6.1.5 6.1.5 전력품질보상기기전력품질보상기기 -- 민감부하민감부하 (2)(2)

발생요인– 고객 자신에 의해 발생, 계통 외란에 의해서도 발생

순시전압상승– 정상상태 범위에서 5%의 과전압은 허용 범위 내– 전압측정 결과 150[V]의 과전압 발생 (그림 6-27)– 22%의 순시전압상승이 120cycle(2초) 지속된 경우, 민감부하는 오22%의 순시전압상승이 120cycle(2초) 지속된 경우, 민감부하는 오

동작을 하거나 손상을 끼치지 않았음

그림 6 27 1선지락 고장 시 과전압

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[53/47]

그림 6-27 1선지락 고장 시 과전압

6 1 56 1 5 전력품질보상기기전력품질보상기기 -- 민감부하민감부하 (3)(3)

고조파스테레오 음향기기는 상당한 양의 전류 왜형을 발생 (그림 5 28)

6.1.5 6.1.5 전력품질보상기기전력품질보상기기 -- 민감부하민감부하 (3)(3)

– 스테레오 음향기기는 상당한 양의 전류 왜형을 발생 (그림 5-28)– 퍼센트 왜형은 높지만 전체 전력계통에서 기기의 영향이 적어 전압

왜형은 상대적으로 적음 (그림 5-29)

그림 6-28 스테레오 음향기기 동작 시측정된 전류파형

그림 6-29 스테레오 음향기기 동작 시측정된 전압파형

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[54/47]

6 1 56 1 5 전력품질보상기기전력품질보상기기 -- 민감부하민감부하 (4)(4)

순시전압강하가정에서는 드물게 나타나지만 심각한 문제를 야기함

6.1.5 6.1.5 전력품질보상기기전력품질보상기기 -- 민감부하민감부하 (4)(4)

– 가정에서는 드물게 나타나지만, 심각한 문제를 야기함– 민감한 부하에서는 오동작의 원인– 원인: 대부분 모터의 시동

서지– 일반 수용가에서 발생하는 서지는 대부분 수용가 내에서 발생일반 수용가에서 발생하는 서지는 대부분 수용가 내에서 발생– 서지전압은 2000[V]정도로 높은 전압도 존재하지만, 대부분은

100~500[V]정도– 100~500[V]정도의 전압이 상당한 문제를 야기하지는 않음100 500[V]정도의 전압이 상당한 문제를 야기하지는 않음

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[55/47]

6 1 56 1 5 전력품질보상기기전력품질보상기기 -- 보상기기보상기기 (1)(1)

2) 능동형 전기품질 보상기기

6.1.5 6.1.5 전력품질보상기기전력품질보상기기 -- 보상기기보상기기 (1)(1)

동적 전압강하 보상기(DVR, Dynamic Voltage Restorer)주입되는 전압의 위상각과 진폭은 DVR과 교류시스템 사이의 양(전력공급)과 음(전력 흡수)의 제한값에 의한 유효전력과 무효전력에 의해제어가 됨전원 측과 부하 측 사이에 직렬연결전원의 전압 변동이 부하에

* VSC: Voltage Source Converter

전원의 전압 변동이 부하에전달되지 않도록 보상전압을직렬로 인가해 주는 기기구성구성

– 전압원 PWM 인버터– 리플 제거용 L,C 필터– 직렬 주입 변압기– 직류 에너지 저장장치

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[56/47]

그림 6-30 DVR의 개요

6 1 56 1 5 전력품질보상기기전력품질보상기기 -- 보상기기보상기기 (2)(2)

능동필터(Active filters)수동필터(L C필터)와 달리 IGBT와 같이 정교한 전력전자소자를 사용

6.1.5 6.1.5 전력품질보상기기전력품질보상기기 -- 보상기기보상기기 (2)(2)

수동필터(L,C필터)와 달리 IGBT와 같이 정교한 전력전자소자를 사용한 필터고조파 성분을 분석 그와 상반된 고조파 주입 서로 상쇄(장점) 고조파 왜율 감소, 입력역율 보상, 시스템 공진현상 없음설치 위치: 고조파를 많이 발생 시키는 기기(장비) 바로 앞 단

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[57/47] 그림 6-32 전형적인 위상제어 정류기에 의한 파형그림 6-31 전형적인 고조파전류원

그림 6-34 전형적인 다이오드 정류기에 의한 파형

6 1 56 1 5 전력품질보상기기전력품질보상기기 -- 보상기기보상기기 (3)(3)

전기품질 보상기 (UPQC, Unified Power Quality Conditioner)배전선로의 공통 접속점(PCC P i f C C li )에 위치

6.1.5 6.1.5 전력품질보상기기전력품질보상기기 -- 보상기기보상기기 (3)(3)

배전선로의 공통 접속점(PCC: Point of Common Coupling)에 위치해 효율적인 선로 관리를 하는 것이 주 목적직렬과 병렬 컨버터가 직류 커패시터를 공유하는 형태동작 내용 및 기능

– 전압변동 보상– 고조파 전류 및 전압 보상조파 전류 및 전압 보상– 전력조류 제어 등

병렬컨버터: 전류원으로 동작병렬컨버터: 전류원으로 동작

직렬컨버터: 전압원으로 동작

배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[58/47]

그림 6-35 UPQC의 개요

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배전자동화설계 제6장 전기품질 및 신뢰도[59/47]